Спосіб лазерної обробки матеріалу і пристрій для його здійснення

Изобретение относится к технологии и оборудованию лазерной обработки материалов по заданному контуру и может быть использовано для лазерной маркировки, гравирования и других операций. Известен способ и устройство лазерной обработки материалов [1], при котором для получения маркировки различной конфигурации осуществляют пространственную амплитудную модуляцию лазерного излучения, направляя его на маску, и проецируют изображение маски на обрабатываемую поверхность. Соответствующее устройство содержит лазер и оптическую систему, включающую расширитель пучка, амплитудную маску конфигурации обработки и объектив, проецирующий изображение маски на обрабатываемую поверхность. К недостаткам данных способа и устройства следует отнести малую эффективность использования лазерного излучения, которая определяется отношением площади прорезей маски к ее общей площади, и ограниченную достижимую плотность мощности лазерной обработки на материале, которая определяется плотностью мощности на маске и уменьшением оптической проекционной системы. Указанные недостатки преодолеваются в способе лазерной обработки и устройстве для его осуществления [2], выбранном в качестве прототипа. В данном способе осуществляют фазовую модуляцию волнового фронта лазерного излучения и направляют его в зону обработки, причем лазерное излучение преобразуют в излучение требуемой конфигурации, а его фазовую модуляцию осуществляют в зависимости от волнового фронта и заданного распределения интенсивности излучения на обрабатываемой поверхности. Для этого лазерное излучение направляют на рельефную микроструктуру, которая, осуществляя пространственную фазовую модуляцию, формирует заданное распределение интенсивности излучения непосредственно на обрабатываемой поверхности. Соответствующее устройство содержит лазер и оптическую систему с фокусирующим элементом и отличается тем, что фокусирующий элемент выполнен в виде пластины с нанесенной на ее поверхность микрорельефной структурой. Данный способ имеет ряд преимуществ перед способом проецирования маски. Действительно, если конфигурация обработки такова, что суммарная площадь прорезей маски мала по сравнению с площадью ее непрозрачных частей, то в этом случае эффективность использования энергии лазерного излучения невелика, поскольку энергия излучения, попавшего на непрозрачные части маски, не используется. В данном способе и устройстве в заданное распределение на обрабатываемой поверхности переходит в идеальном случае вся энергия лазерного излучения независимо от конкретного вида распределения. К недостаткам указанного способа следует отнести то, что фазовую модуляцию волнового фронта осуществить невозможно ввиду того, что волновой фронт есть поверхность, т.е. фаза не является параметром волнового фронта. По всей видимости авторы имели в виду модуляцию геометрии волнового фронта посредством фазовой модуляции лазерного излучения. Кроме того чисто фазовая модуляция реально является трудно достижимой из-за оптического поглощения материалов. Таким образом признак только фазовой модуляции значительно сокращает диапазон применимости способа и устройства. Другим недостатком данного способа является неправомерная общность его признаков. Действительно, такой широко известный способ лазерной обработки, как фокусировка лазерного излучения на материал с помощью линзы, полностью подпадает под формулу способа, поскольку линза 5 осуществляет фазовую модуляцию излучения в пространстве. Еще одним недостатком данного способа и устройства является то, что промодулированное по фазе лазерное излучение непосредственно направляют в зону обработки, т.е. модулирующий элемент, выполненный в виде пластины с микрорельефной структурой, является одновременно и фокусирующим элементом. Это означает, что масштаб обрабатываемой конфигурации задается фокусирующим элементом и не может плавно регулироваться. Возможно только фиксированное изменение масштаба путем замены фокусирующего элемента, процесс изготовления которого достаточно сложен. В основу данного изобретения поставлена задача: 1. В способе лазерной обработки путем осуществления пространственной фазовой или амплитудно-фазовой модуляции пучка лазерного излучения с помощью голограммы маски и последующего проецирования голографического изображения маски на обрабатываемый объект с помощью объектива обеспечить возможность использования оптических элементов с амплитудно-фазовым типом модуляции и возможность плавного масштабирования конфигурации обработки без замены модулирующего элемента. 2. В устройстве для лазерной обработки путем включения голограммы маски и объектива для проецирования голографического изображения маски на обрабатываемый объект обеспечить возможность масштабирования конфигурации обработки без замены голограммы. Указанная задача решается следующим образом. В способе лазерной обработки пучок лазерного излучения преобразуют в излучение требуемой конфигурации, расширяя его, например с помощью телескопа, до размера голограммы, и осуществляют его фазовую или амплитудно-фазовую пространственную модуляцию, направляя его на голограмму, на которой зарегистрировано изображение маски. Введение амплитудно-фазовой модуляции по сравнению с прототипом обусловлено тем, что реальные голографические материалы зачастую осуществляют смешанный тип модуляции вследствие поглощения. Таким образом достигается расширение диапазона материалов, применимых для модулирующих элементов. В результате пространственной фазовой или амплитудно-фазовой модуляции лазерного излучения на голограмме формируется голографическое изображение маски. Промодулированное лазерное излучение направляют в объектив, проецируя таким образом голографическое изображение маски на обрабатываемую поверхность и тем самым осуществляя ее лазерную обработку, например маркировку, причем конфигурация обработки соответствует изображению маски, записанному на голограмме, и масштабированию объектива. Проецирование топографического изображения на обрабатываемый объект с помощью объектива позволяет в отличие от прототипа установить требуемый размер конфигурации обработки не только путем замены самой голограммы, но и простой регулировкой масштабирования объектива, например изменяя расстояние между голографическим изображением маски и объективом, и помещая обрабатываемую поверхность в новую сопряженную плоскость или используя объектив с переменным фокусным расстоянием. Таким образом здесь во первых упрощается процедура масштабирования, а во вторых появляется возможность плавной регулировки размера. Кроме того, принципиально не важно, где локализовано исходное голографическое изображение - за голограммой или перед ней, оно может быть как действительным, так и мнимым. Важно лишь чтобы изображение, проецируемое на обрабатываемую поверхность, было действительным. Устройство для лазерной обработки содержит лазер и оптическую систему с расширителем пучка и фокусирующим элементом и отличается тем, что оптическая система содержит голограмму маски, а фокусирующим элементом является объектив. Устройство работает следующим образом. Пучок излучения лазера расширяется с помощью расширителя пучка, например телескопа, до поперечного размера, соответствующего размеру голограммы, после чего направляется на голограмму, на которой зарегистрировано изображение амплитудной маски. Эта голограмма является элементом, осуществляющим фазовую или амплитудно-фазовую модуляцию лазерного излучения, причем, в отличие от прототипа, где модуляция осуществляется посредством рельефной микроструктуры, нанесенный на фокусирующий "элемент, здесь в зависимости от вида голограммы эта модуляция может осуществляться за счет локальных вариаций как рельефа, так и коэффициента преломления и поглощения. Возможно применение голограмм различных типов - плоских и объемных, внеосевых и во встречных пучках. При освещении голограммы излучением лазера в результате фазовой или амплитудно-фазовой модуляции формируется промежуточное голографическое изображение маски, которое может иметь различную локализацию, быть как действительным, так и мнимым. Промодулированное лазерное излучение направляется в объектив, являющийся фокусирующим элементом. Этот объектив проецирует голографическое изображение маски на обрабатываемую поверхность. В прототипе же фокусирующим элементом является пластина с рельефной микроструктурой, которая непосредственно формирует требуемое распределение интенсивности излучения на обрабатываемой поверхности. Недостаток такого решения, т.е. фиксированный размер конфигурации обработки, здесь преодолеваете за счет использования отдельных элементов - голограммы маски для формирования изображения маски и фокусирующего объектива для проецирования голографического изображения маски на обрабатываемую поверхность. В результате размер конфигурации обработки может быть плавно изменен путем настройки объектива. На фиг.1 приведены варианты оптической схемы предлагаемого устройства для осуществления способа при использовании внеосевой голограммы; на фиг.2 - голограммы во встречных пучках или отражающей. Устройство содержит лазер 1, расширитель пучка 2, голограмму 3, объектив 4 и обрабатываемый образец 5. Способ реализуется следующим образом. Излучение лазера 1 расширяют с помощью расширителя пучка 2 до поперечного размера голограммы, формируя таким образом опорную волну, и осуществляют ее фазовую или амплитудно-фазовую модуляцию, направляя ее на голограмму 3, на которой зарегистрировано голографическое изображение амплитудной маски обрабатываемой конфигурации. Промодулированное. лазерное излучение направляют в объектив 4, который проецирует в масштабе восстановленное голографическое изображение маски на поверхность обрабатываемого образца 5, осуществляя таким образом его лазерную обработку, например маркировку. Устройство функционирует следующим образом. На выходе лазера 1 установлен расширитель пуска 2, предназначенный для расширения лазерного пучка с тем, чтобы он соответствовал размерам голограммы. Расширенный лазерный пучок направлен на голограмму 3, на которой зарегистрировано голографическое изображение, например мнимое, амплитудной маски обрабатываемой конфигурации в виде просветов на непрозрачном фоне. При освещении голограммы осуществляется фазовая или амплитудно-фазовая модуляция лазерного излучения и вследствие этого данное изображение восстанавливается. Объектив 4 предназначен для проецирования в масштабе восстановленного топографического изображения маски на поверхность обрабатываемого образца 5. Для функционирования устройства не существенно, какое изображение маски, действительное или мнимое, зарегистрировано на голограмме, и где оно локализовано, важно лишь чтобы объектив 4 фокусировал это изображение на поверхности образца 5. Конкретная реализация способа может быть следующей. Пучок излучения второй гармоники Nd : YAG лазера 1 типа ЛТИ-411 с длиной волны 0,532мкм, длительностью импульса 10нс, энергией импульса 150мДж и диаметром 6,3мм, являющийся опорной волной, расширяют с помощью оптического - телескопа 2 до диаметра 63мм и осуществляют его пространственную фазовую модуляцию, направляя его на голограмму 3, на которой зарегистрировано мнимое изображение амплитудной маски например в виде кольцевой прорези диаметром 4мм и шириной 0,1мм. Восстановленное изображение маски с помощью объектива 4 например с четырехкратным линейным уменьшением проецируют на поверхность образца 5 из латуни. В результате выброса материала под действием лазерного излучения на поверхности образца образуется кольцевое углубление диаметром 1мм и шириной 25мкм. Глубина углубления составляет от 10 до 20мкм для одного импульса лазера, и возрастает с увеличением количества импульсов. Конкретная реализация устройства может быть следующей. Лазер 1 - типа ЛТИ-411, расширитель пучка 2 представляет собой оптический телескоп из двух линз с фокусными расстояниями 2см и 20см, голограмма 3 трехмерная отбеленная голограмма во встречных пучках, дающая мнимое изображение с дифракционной эффективностью, близкой к 100%, объектив 4 - линза с фокусным расстоянием 15см, расположенная на расстоянии 15см от голограммы. Устройство работает следующим образом. Пучок излучения лазера 1 преобразуется оптическим телескопом 2 в коллимированный пучок диаметром 63мм. Этим пучком освещается голограмма 3, в результате чего возникает восстановленное изображение, например мнимое изображение маски с кольцеобразной прорезью диаметром 5мм и шириной 0,1мм, локализованное на расстоянии 30см от голограммы. Пучок лазерного излучения, дифрагировавший на голограмме, направлен в объектив 4, проецирующий с четырехкратным уменьшением изображение маски на обрабатываемый образец, находящийся на расстоянии 11,25см от объектива. В результате выброса материала образца под действием лазерного излучения на нем образуется кольцеобразное углубление диаметром 1мм и шириной 25мкм.